ASTROFÍSICOS EXPLICAM A ORIGEM DE BINÁRIOS DE ESTRELAS DE NEUTRÕES INVULGARMENTE PESADAS 12 de outubro de 2021
Nos estágios finais da formação de estrelas de neutrões binárias, a estrela gigante expande-se e engolfa a estrela de neutrões companheira, num estágio de evolução conhecido como evoluação de invólucro comum (a). A ejeção do invólucro deixa a estrela de neutrões numa órbita próxima com uma estrela de invólucro despojado. A evolução do sistema depende da proporção de massa. Estrelas despojadas menos massivas passam por uma fase de transferência de massa adicional que despoja ainda mais a estrela e recicla a companheira pulsar, levando a sistemas como as estrelas de neutrões binárias observadas na Via Láctea e nem GW170817 (b). As estrelas despojadas mais massivas não se expandem tanto, evitando assim despojo adicional e reciclagem da companheira, levando a sistemas como GW190425 (c). Finalmente, estrelas ainda mais massivas e despojadas levarão a binários compostos por uma estrela de neutrões e por um buraco negro, como GW200115 (d).
Crédito: Vigna-Gomez et al., ApJL 2021
Um novo estudo que mostra como a explosão de uma estrela massiva numa supernova pode levar à formação de uma estrela de neutrões pesada ou de um buraco negro leve resolveu um dos quebra-cabeças mais desafiadores que emergiram da deteção de fusões de estrelas de neutrões pelos observatórios de ondas gravitacionais LIGO e Virgo.
A primeira deteção de ondas gravitacionais pelo LIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) em 2017 foi oriunda de uma fusão de estrelas de neutrões que atendeu principalmente às expetativas dos astrofísicos. Mas a segunda deteção, em 2019, foi oriunda da fusão de duas estrelas de neutrões cuja massa combinada era inesperadamente grande.
"Foi tão chocante que tivemos que começar a pensar em como criar uma estrela de neutrões pesada sem torná-la num pulsar," diz Enrico Ramirez-Ruiz, professor de astronomia e astrofísica na Universidade da Califórnia em Santa Cruz, EUA.
Objetos astrofísicos compactos, como estrelas de neutrões e buracos negros, são difíceis de estudar porque, quando estão estáveis, tendem a ser invisíveis, não emitindo radiação detetável. "Isso significa que somos tendenciosos no que podemos observar," explicou Ramirez-Ruiz. "Nós detetámos estrelas de neutrões binárias na nossa Galáxia quando uma delas é um pulsar, e as massas desses pulsares são quase todas idênticas - não vemos nenhuma estrela de neutrões pesada."
A deteção do LIGO de uma fusão de estrelas de neutrões pesadas a um ritmo semelhante ao sistema binário mais leve implica que os pares de estrelas de neutrões pesadas devem ser relativamente comuns. Então, porque é que não aparecem na população de pulsares?
No novo estudo, Ramirez-Ruiz e colegas focaram-se nas supernovas de estrelas despojadas em sistemas binários que podem formar "objetos compactos duplos" consistindo de duas estrelas de neutrões ou uma estrela de neutrões e um buraco negro. Uma estrela despojada, também chamada estrela de hélio, é uma estrela que teve o seu invólucro de hidrogénio removido devido às suas interações com uma estrela companheira.
O estudo, publicado dia 8 de outubro na revista The Astrophysical Journal Letters, foi liderado por Alejandro Vigna-Gomez, astrofísico do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhaga, onde Ramirez-Ruiz é professor catedrático.
"Nós usámos modelos estelares detalhados para acompanhar a evolução de uma estrela despojada até ao momento em que explode numa supernova," disse Vigna-Gomez. "Assim que chegámos ao momento da supernova, fazemos um estudo hidrodinâmico, onde temos interesse em acompanhar a evolução do gás em explosão."
A estrela despojada, num sistema binário com uma estrela de neutrões companheira, começa dez vezes mais massiva do que o nosso Sol, mas é tão densa que tem um diâmetro inferior ao do Sol. O estágio final da sua evolução é uma supernova de colapso do núcleo, que deixa para trás uma estrela de neutrões ou um buraco negro, dependendo da massa final do núcleo.
Os resultados da equipa mostraram que, quando a massiva estrela despojada explode, algumas das suas camadas externas são rapidamente ejetadas do sistema binário. Algumas das suas camadas internas, no entanto, não são ejetadas e eventualmente caem de volta para o objeto compacto recém-formado.
"A quantidade de material acretado depende da energia da explosão - quanto maior a energia, menos massa pode manter," disse Vigna-Gomez. "Para a nossa estrela despojada com dez massas solares, se a energia da explosão for baixa, formará um buraco negro; se a energia for grande, manterá menos massa e formará uma estrela de neutrões."
Estes resultados não apenas explicam a formação de estrelas de neutrões binárias pesadas, como revelado pelo evento de ondas gravitacionais GW190425, mas também preveem a formação de binários compostos por uma estrela de neutrões e um buraco negro, como aquele que se fundiu no evento de ondas gravitacionais GW200115 de 2020.
Outra descoberta importante é que a massa do núcleo de hélio da estrela despojada é essencial para determinar a natureza das suas interações com a sua estrela de neutrões companheira e o destino final do sistema binário. Uma estrela de hélio com massa suficiente pode evitar a transferência de massa para a estrela de neutrões. No entanto, com uma estrela de hélio menos massiva, o processo de transferência de massa pode transformar a estrela de neutrões num pulsar de rotação rápida.
"Quando o núcleo de hélio é pequeno, expande-se e, em seguida, a transferência de massa faz a estrela de neutrões girar para criar um pulsar," explicou Ramirez-Ruiz. "Por outro lado, os núcleos massivos de hélio estão mais ligados gravitacionalmente e não se expandem, de modo que não há transferência de massa. E se não girarem para um pulsar, não os podemos ver."
Por outras palavras, pode muito bem haver uma grande população não detetada de binários de estrelas de neutrões pesadas na nossa Galáxia.
"Transferir massa para uma estrela de neutrões é um mecanismo eficaz para criar pulsares que giram muito depressa (pulsares de milissegundo)," salientou Vigna-Gomez. "A escusa deste episódio de transferência de massa, como sugerimos, aponta para uma população silenciosa de tais sistemas na Via Láctea."
